Autosomal recessive triple A syndrome is caused by mutations in the AAAS gene encoding the protein ALADIN. The disorder manifests with the triad of adrenocorticotropin-resistant adrenal insufficiency, achalasia of the stomach cardia and impaired tear production (alacrima) in combination with progressive neurological impairment of the central, peripheral and autonomic nervous systems. ALADIN is part of the nuclear pore complex acting as a scaffold nucleoporin. In this work the role of ALADIN in the human adrenocortical tumour cell line NCI-H295R1 was investigated. These cells were engineered to either over-express or down-regulate AAAS by inducible stable transfection. Alterations in steroidogenic gene expression and functional consequences were determined. In addition, the role of ALADIN on cell viability and oxidative stress response was analysed. Using both the human adrenal NCI-H295R1-TR AAAS knock-down and over-expression models the potential impairment of the nuclear import of aprataxin, DNA ligase 1 and ferritin heavy chain 1 was investigated. For this YFP-specific vectors transiently transfected into the cell lines were employed. The findings indicate that AAAS knock-down induces a down-regulation of genes coding for type II microsomal cytochrome P450 hydroxylases CYP17A1 and CYP21A2 and their electron donor enzyme cytochrome P450 oxidoreductase, thereby decreasing biosynthesis of precursor metabolites required for glucocorticoid and androgen production. Furthermore I demonstrate that ALADIN deficiency leads to increased susceptibility to oxidative stress and alteration in redox homeostasis after paraquat treatment. Finally, I show significantly impaired nuclear import of DNA ligase 1, aprataxin and ferritin heavy chain 1 in ALADIN knock-down cells. I conclude that down-regulating ALADIN results in decreased oxidative stress response leading to alteration in steroidogenesis, highlighting the knock-down cell model as an important in vitro tool for studying the adrenal phenotype in triple A syndrome. In an approach to identify new interaction partners of ALADIN, co-immunoprecipitation followed by proteome analyses using mass spectrometry was conducted in a GFP-ALADIN over-expression model using the human adrenocortical tumor cell line NCI-H295R. These results were verified in co-immunoprecipitation assays of endogenous ALADIN using NCI-H295R wild-type cells. The results suggest a possible interaction between ALADIN and microsomal flavoprotein cytochrome P450 oxidoreductase and progesterone receptor membrane compartment 2. Co-localisation analyses of these findings were done using immunofluorescence. The data are suggestive for an involvement of ALADIN in the export of nuclear-encoded mitochondrial proteins. Regulation of adrenocortical steroidogenesis is complex and there is increasing evidence that oxidative stress due to ROS accumulation and mitochondria are significantly involved. Furthermore, there may be an important cross-talk between functional organelles comprising nucleus, ER and mitochondria which presumably involves lipid metabolism. The goal of this work was to elucidate the function of ALADIN for the cellular oxidative stress response and its possible consequences for adrenocortical steroidogenesis in triple A syndrome patients. / Mutationen im AAAS Gen verursachen die autosomal rezessive Krankheit Triple-A-Syndrom. AAAS kodiert das Nukleoporin ALADIN, welches Bestandteil des nukleären Porenkomplexes ist. Phänotypische Charakteristika des Triple-A-Syndroms sind Nebennierenrinden-Insuffizienz, Achalasie des unteren Speiseröhrenschließmuskels und eine fehlende Tränenproduktion (Alakrimie). Diese Symptome sind kombiniert mit progredienten neurologischen Störungen des zentralen, peripheren und autonomen Nervensystems. In dieser Arbeit wurde die Rolle von ALADIN in der humanen Karzinom-Zelllinie NCI-H295R1 untersucht. Diese Nebennierenrinden-Zellen wurden stabil transfiziert und mit einem induzierbaren Expressionssystem modifiziert, so dass sie AAAS entweder überexprimierten oder herunterregulierten. In NCI-H295R1-Zellen wurden Veränderungen der Genexpression von Enzymen der Steroidogenese und funktionelle Konsequenzen der Überexpression oder Herunterregulation von ALADIN gemessen. Des Weiteren wurde die Rolle von ALADIN auf die Zellviabilität und die Redox-Homöostase analysiert. ALADIN überexprimierende und herunterregulierte Zellen wurden verwendet, um die potentielle Behinderung des nukleären Imports von Proteinen zu untersuchen, welche den Zellkern gegen oxidativen Stress schützen (z.B. Aprataxin, DNA-Ligase 1 und Ferritin Heavy Chain 1). Dazu wurden YFP-spezifische Vektoren transient in diese Zellen gebracht. Mit den Ergebnissen dieser Arbeit wurde gezeigt, dass die Herunterregulation von AAAS eine Verminderung der Genexpression von CYP17A1 und CYP21A2 und deren Elektronendonor Cytochrom P450 Oxidoreduktase bewirken. Die Biosynthese der Vorläufermetabolite von Kortisol und Aldosteron ist in diesen Zellen ebenfalls vermindert. Des Weiteren zeigen die ALADIN-defizienten NCIH295R1-Zellen eine erhöhte Sensitivität gegenüber oxidativem Stress und eine veränderte Redox-Homöostase nach der Behandlung mit Paraquat. Darüber hinaus konnte in dieser Studie auch gezeigt werden, dass herunterregulierte ALADIN NCI-H295R1-Zellen einen verminderten Zellkernimport von Aprataxin, DNA-Ligase 1 und Ferritin heavy chain 1 besitzen. Aus diesen Ergebnissen kann geschlussfolgert werden, dass ALADIN-defiziente Nebennierenzellen eine verminderte Stressantwort auf oxidativen Stress besitzen; dies führt schlussendlich zu einer veränderten Steroidogenese. Das beschriebene ALADIN knock-down Modell in NCI-H295R1-Zellen ist ein wichtiges in vitro Werkzeug, um die Pathogenese der Nebennierenveränderungen im Triple-A-Syndrom zu erforschen. Neue Interaktionspartner von ALADIN wurden mit Hilfe von Co-Immunpräzipitation gefolgt von Proteom-Analysen durch Massenspektrometrie in einem GFP-ALADIN Überexpressionsmodell in NCI-H295R charakterisiert. Die Ergebnisse wurden durch Experimente auf endogenem Niveau in NCI-H295R-Wildtypzellen verifiziert. Mit diesen Daten wird in dieser Arbeit erstmals eine Interaktion zwischen ALADIN und dem Flavoprotein Cytochrom P450 Oxidoreduktase und Progesterone Receptor Membrane Compartment 2 nachgewiesen. Diese Ergebnisse wurden mit Co-Lokalisierungsanalysen durch Immunfluoreszenzfärbung von ALADIN und Cytochrome P450 Oxidoreduktase ergänzt. Außerdem gibt die Arbeit Hinweise darauf, dass ALADIN als Nukleoporin an dem nuklearen Export mitochondrialer Vorläuferproteine beteiligt ist. Die Regulation der Steroidogenese in der Nebennierenrinde ist komplex und es existieren zahlreiche Hinweise darauf, dass oxidativer Stress aufgrund der Ansammlung reaktiver Sauerstoffradikale und. dass die Mitochondrien involviert sind. Außerdem ist ein funktionelles Zusammenspiel verschiedener Organellen, darunter Nukleus, ER und Mitochondrien, von großer Bedeutung. Das Ziel dieser Arbeit war die Identifizierung der Funktion von ALADIN in der zellulären oxidativen Stressantwort und die möglichen Konsequenzen für die Steroidogenese in der Nebennierenrinden in Triple-A-Syndrom-Patienten.

Ehemalige Urangruben tragen durch das anfallende Flutungswasser maßgeblich zur Ausbreitung von Schadstoffen wie Uran und Arsen in teils dicht besiedelte Gebiete bei. Um die Prozesse in den unterirdischen Gruben besser zu verstehen und alternative Strategien zur konventionellen, kostenintensiven Wasserbehandlung entwickeln zu können, war das Ziel der Arbeit, mikrobielle Gemeinschaften aus drei gefluteten Uranerzbergwerken in Sachsen, namens Pöhla, Schlema und Zobes, die unterschiedliche Flutungsstadien repräsentierten, zu charakterisieren und den mikrobiellen Einfluss auf die Mobilität von Uran und Arsen zu untersuchen. Um herauszufinden, welche Mikroorganismen die hydrochemischen Vorgänge im Untergrund der Uranerzbergwerke beeinflussen könnten, wurde die Diversität und Zusammensetzung mikrobieller Gemeinschaften mittels Pyrosequenzierung eines Fragments des 16S rRNA Gens (16S rDNA) und CARD-FISH ermittelt. Wenngleich Clusteranalysen zeigten, dass sich die planktonischen Gemeinschaften hinsichtlich ihrer bakteriellen Zusammensetzung zwischen den drei Uranerzbergwerken unterschieden, wurden alle von chemolithotrophen Schwefeloxidierern der Beta- und Epsilonproteobacteria dominiert, die mit den Gattungen Thiobacillus und Sulfuritalea bzw. Sulfuricurvum und Sulfurimonas vertreten waren. Im Unterschied zu den planktonischen Gemeinschaften bestanden in situ Biofilme, die auf BACTRAPs während einer 3-monatigen Exposition im Flutungswasser anwuchsen, laut Pyrosequenzierung zu einem wesentlichen, mitunter dominanten Anteil aus metall- bzw. sulfatreduzierenden Deltaproteobacteria. In Biofilmgemeinschaften aus Zobes wurden hauptsächlich Geobacter sp. detektiert, die als Fe(III)- und U(VI)-Reduzierer bekannt sind. Obwohl Archaea basierend auf den Ergebnissen der CARD-FISH-Analyse nur einen sehr geringen Anteil der planktonischen Gemeinschaften ausmachten, wurden mittels Pyrosequenzierung planktonische Euryarchaeota der Thermoprotei in allen Gruben detektiert. In planktonischen Gemeinschaften und 3-monatigen Biofilmen aus Pöhla und Zobes wurden zudem methanogene Crenarchaeota, vor allem Methanobacteria und teilweise Methanomicrobia, ermittelt. Die 16S rRNA-Analyse, die ergänzend zum DNA-basierten Ansatz durchgeführt wurde, lieferte Hinweise darauf, dass die detektierten, dominanten Mikroorganismen, Bacteria sowie Archaea, in der planktonischen Gemeinschaft aus Schlema und den Biofilmgemeinschaften stoffwechselaktiv waren. In der planktonischen Gemeinschaft aus Zobes wurden im Vergleich zur DNA-basierten Analyse höhere Abundanzen für Verrucomicrobia, Acidobacteria und Alphaproteobacteria ermittelt, deren Bedeutung offen bleibt. Untersuchungen zum mikrobiellen Stoffwechselpotential planktonischer Gemeinschaften mittels CFU- und MPN-Analysen ergaben, dass Mikroorganismen aus allen Urangruben ein breites Spektrum anaerober Reaktionen (Nitrat-, Eisen-, Mangan-, Arsenat- und Sulfatreduktion und Acetogenese) unter Laborbedingungen abdeckten. In guter Übereinstimmung mit den Sequenzierungsergebnissen konnten methanogene Mikroorganismen nur im Flutungswasser aus Pöhla und Zobes detektiert werden. Die Metaproteomanalyse ergab, dass 61,6% der Peptide in der planktonischen Gemeinschaft aus Schlema von den dominanten Epsilonproteobacteria stammten. Dagegen wurden für Zobes detektierte Peptide mehrheitlich methylotrophen und eisenoxidierenden Betaproteobacteria der Familien Methylophilaceae bzw. Gallionellaceae sowie methylotrophen Gammaproteobacteria der Methylococcaceae zugewiesen. Obwohl die Mehrheit der Proteine an der Translation beteiligt war, konnten insgesamt 49 Proteingruppen ermittelt werden, deren Vertreter für den mikrobiellen Energiestoffwechsel relevant waren. Insbesondere planktonische Gammaproteobacteria aus Zobes konnten so mit dem Kohlenstoff- und Schwefelkreislauf in Zusammenhang gebracht werden. Mithilfe von Labormikrokosmen wurde der potentielle Einfluss mikrobieller Gemeinschaften aus Schlema auf die Mobilität von Arsen und Uran im Flutungswasser mit Acetat als Elektronendonor unter anaeroben Bedingungen über einen Zeitraum von 98 Tagen untersucht. Im Vergleich zu den Kontrollen konnten sowohl die stimulierte, planktonische Gemeinschaft als auch Biofilme natürliches Arsen aus der wässrigen Phase fast vollständig entfernen. Allerdings wies der spätere Anstieg des gelösten Arsens daraufhin, dass der immobilisierte Zustand langfristig nicht stabil blieb. In stimulierten Biofilm-Ansätzen wurde Uran mit bis zu 39 ± 9% (in Anwesenheit von 7 µM natürlichem Uran) bzw. 34 ± 8% (bei Zugabe von 50 µM U(VI)) aus der wässrigen Phase langfristig (98 Tage) immobilisiert. Laserfluoreszenzspektroskopische Untersuchungen zeigten, dass Uran im Biofilm reduziert wurde.

Analyzing the structure of a single cell based on its refractive index (RI) distribution is a common and valued approach, because it does not require any artificial markers. The RI is an inherent structural marker that can be quantified in three dimensions with optical diffraction tomography (ODT), an inverse scattering technique. This work reviews the theory of ODT and its implementation with an emphasis on single-cell analysis, identifying the Rytov approximation as the most efficient descriptor for light propagation. The accuracy of the reconstruction method is verified with in silico data and imaging artifacts associated with the inverse scattering approach are addressed. Furthermore, an experimental ODT setup is presented that consists of a bright-field microscope, a phase-imaging camera, and an optical trap combined with a microfluidic chip. A novel image analysis pipeline is proposed that addresses image corrections and frame alignment of the recorded data prior to the RI reconstruction. In addition, for a rotational axis that is tilted with respect to the image plane, an improved reconstruction algorithm is introduced and applied to single, suspended cells in vitro, achieving sub-cellular resolution.

Wirkstoffgewinnung mittels chemischer Synthese führt oft zu Stereoisomeren, welche aufwendig getrennt werden müssen und manche Moleküle sind nur sehr kostenintensiv oder gar nicht darstellbar. Landwirtschaftliche Gewinnung bedeutet Nachteile wie Schadstoffeinsatz und großer Flächenbedarf. Der Einsatz von pflanzlichen Zell- und Gewebekulturen überwindet die genannten Hürden [1, 2]: mit Methoden der Pflanzenbiotechnologie ist es möglich, pflanzliche Inhaltsstoffe in ihrer natürlichen, bioaktiven Form das ganze Jahr über unabhängig von biotischen/abiotischen Umweltfaktoren bei gleichbleibender Qualität und Quantität zu produzieren [3, 4]. Suspensionskulturen und hairy roots gelten momentan als die in vitro-Kulturtypen mit dem größten biotechnologischen Potential. Erstere sind in Flüssigmedium kultivierte Kalluszellen. Bei Kallus handelt es sich um undifferenzierte Pflanzenzellen, welche tumorartig wachsen und durch Zugabe von Pflanzenhormonen an der Differenzierung gehindert werden. Hairy roots entstehen durch Infektion eines Pflanzenteils mit dem Bodenbakterium Agrobacterium rhizogenes. Die so erhaltene Haarwurzelkultur kann ohne Hormonzusatz vermehrt werden, ihre Morphologie erfordert aber häufig eine Anpassung bestehender Kultivierungsgefäße [2, 5]. / In advance of industrial applications of in vitro plant cell or tissue cultures e.g., as bioactive ingredients for pharmaceuticals, an intense characterization concerning growth and productivity has to be performed. Innovative respiration measurement techniques in shake flask scale were applied to investigate and compare heterotrophic, photomixotrophic and hairy root cultures of sunflower. Furthermore, the qualification of RAMOS for screening of plant in vitro cultures is discussed.

Cytoskeletal motor proteins are essential to the function of a wide range of intra-cellular mechano-systems. The biophysical characterization of the movement of motor proteins along their filamentous tracks is therefore of large importance. Towards this end, in vitro stepping motility assays are commonly used to determine the motor’s velocities and runlengths. However, comparing results from such experiments has proved difficult due to influences from variations in the experimental setups, the experimental conditions and the data analysis methods. This work describes a novel unified method to evaluate traces of fluorescently-labeled, processive dimeric motor proteins and proposes an algorithm to correct the measurements for finite filament length as well as photobleaching. Statistical errors of the proposed evaluation method are estimated by a bootstrap method. Numerical simulation and experimental data from GFP-labeled kinesin-1 motors stepping along immobilized microtubules was used to verify the proposed approach and it was shown (i) that the velocity distribution should be fitted by a t location-scale probability density function rather than a normal distribution, (ii) that the temperature during the experiments should be controlled with a precision well below 1 K, (iii) that the impossibility to measure events shorter than the image acquisition time needs to be accounted for, (iv) that the motor’s runlength can be estimated independent of the filament length distribution, and (v) that the dimeric nature of the motors needs to be considered when correcting for photobleaching. This allows for a better statistical comparison of motor proteins influenced by other external factors e.g. ionic strength, ATP concentration, or post-translational modifications of the filaments. In this context, the described method was then applied to experimental data to investigate the influence of the nucleotide state of the microtubule on the motility behavior of the kinesin-1 motor proteins. Here, a small but significant difference in the velocity measurements was found, but no significant difference in the runlength and interaction time measurements. Consequently, this work provides a framework for the evaluation of a wide range of experiments with single fluorescently-labeled motor proteins.

Trotz der zunehmenden Bedeutung, die der Biogasprozess in der Reihe der regenerativen Energiequellen seit einigen Jahren einnimmt, sind dessen mikrobiologische Prozesse häufig nur zum Teil verstanden und die Zusammensetzung der mikrobiellen Biozönose oft unbekannt. Um jedoch die Biogasgewinnung möglichst effektiv zu gestalten, ist es essentiell, die physikochemischen Bedingungen im Reaktor an die Mikroorganismen anzupassen. Daher war es ein Ziel dieser Arbeit, die mikrobielle Gemeinschaft in verschiedenen Biogasanlagen abhängig vom eingesetzten Substrat zu charakterisieren. Dabei zeigte sich, dass insbesondere die archaeelle Diversität in NawaRo-Anlagen sehr limitiert ist und die Organismen in den einzelnen Anlagen nah verwandt sind. Von großer Bedeutung waren dabei die Genera Methanoculleus und Methanosarcina (bei hoher Acetatkonzentration) bzw. Methanothrix (bei geringer Acetatkonzentration). Deren genaues Verhältnis in den verschiedenen Anlagen hing wesentlich von den zugesetzten Co-Substraten ab und vor allem in Anlage A konnte eine Abhängigkeit der Abundanz von Methanosarcina je nach Zusatz von Hühnertrockenkot bzw. Rindermist beobachtet werden. Im Gegensatz dazu spielten die untersuchten chemischen Parameter eine geringere Rolle und es konnten kaum Korrelationen zwischen der Abundanz einzelner archaeeller Genera und physikochemischen Parametern beobachtet werden. In der mit Klärschlamm betriebenen Anlage KA waren außerdem verschiedene Methanobacteriales und Organismen der WCHA1-57-Klade von Bedeutung. Neben methanogenen Archaea konnten in den Anlagen C, KA und KL außerdem Crenarchaeota nachgewiesen werden, die wahrscheinlich in das erst kürzlich neu postulierte Phylum der „Bathyarchaeota“ einzuordnen sind. Deren genaue physiologische Funktion im Biogasprozess ist jedoch noch ungeklärt. Zusätzlich zu den Archaea wurden exemplarisch auch Proben aus den einzelnen Anlagen hinsichtlich ihrer bakteriellen Population untersucht. Dabei waren in den NawaRo-Anlagen A, B, C und KL vor allem Firmicutes und Cloacimonetes zu finden. Letztere stellen dabei eine bisher nur wenig charakterisierte Gruppe dar, die wahrscheinlich im hydrolytischen Abbau von Cellulose und/oder Aminosäuren eine entscheidende Rolle spielen. Innerhalb der Firmicutes übten insbesondere die Clostridiales vielseitige physiologische Funktionen innerhalb der anaeroben Fermentation aus. Überraschend gering war jedoch der Anteil der syntrophen Organismen. Es ist möglich, dass einige der nicht näher klassifizierbaren OTUs dieser Gruppe angehören, da der syntrophe Abbau verschiedener Säuren von essentieller Bedeutung für den Biogasprozess ist. In der mit kommunalem Abwasserschlamm betriebenen Anlage KA war der Anteil der Firmicutes und Cloacimonetes deutlich geringer. Abundantestes Phylum waren hier die Proteobacteria, unter denen zusätzlich Syntrophe zu finden sind. Zusätzlich zur Untersuchung der mikrobiellen Gemeinschaft während des Normalbetriebes von Biogasanlagen wurden außerdem häufige Prozessstörungen simuliert. Dabei zeigte sich, dass es trotz rückläufiger Methanbildung häufig nicht zu Veränderungen in der Zusammensetzung der Mikroorganismen kommt und stattdessen deren Aktivität sinkt. Erst bei dramatischer Veränderung der physikochemischen Parameter, wie es im Rahmen des ersten Versuchs zur Ammonium-Intoxiaktion der Fall war, wurden deutliche Veränderungen in der archaeellen Biozönose detektiert. Die bakterielle Gemeinschaft blieb dabei kaum verändert. Bei geringerer Ammoniumkonzentration hingegen konnte eine gute Anpassungsfähigkeit der Archaea gezeigt werden. Dennoch war es nicht möglich, anhand dieser Versuche einen allgemein gültigen Grenzwert der Ammoniumkonzentration, ab der inhibitorische Effekte auftreten, festzulegen, da in Anlage A bei ähnlichen Konzentrationen die archaeelle Abundanz durchaus zurückging. Auch im Rahmen der Versuche zur Versauerung konnte eine gute Anpassungsfähigkeit der Archaea gegenüber erhöhten FOS-Konzentrationen gezeigt werden. Dabei war insbesondere eine erhöhte Abundanz der Syntrophomonadaceae mit Stressresistenz verbunden, während eine erhöhte Abundanz von Methanobacterium mit verminderter Säuretoleranz einher ging. Insgesamt liefern die Ergebnisse dieser Arbeit einen aufschlussreichen Einblick in die mikrobielle Population in NawaRo-Anlagen sowohl während des Normalbetriebes als auch im Verlauf von Prozessstörungen, die zu einem besseren Verständnis der ablaufenden Prozesse beitragen können. Dennoch ist die Rolle vieler beteiligter Organismen noch nicht gänzlich geklärt. Es sind daher weitere Studien nötig, um die mikrobiologischen Prozesse in Biogasanlagen vollständig zu verstehen.

Die „donor lymphocyte infusion“ (DLI) stellt eine wirksame Therapieoption für ein Rezidiv bei Patienten mit akuter myeloischer Leukämie (AML) nach allogener Stammzelltransplantation (SZT) dar. Jedoch ist die DLI oft mit einer „graft-versus-host disease” (GvHD) assoziiert, die auf einer proinflammatorischen, gegen den Empfänger gerichteten T-Zell-vermittelten Immunantwort beruht. Eine Strategie, den „graft-versus-leukemia” (GvL)-Effekt zu steigern und dabei das Risiko einer GvHD zu mindern, besteht in dem adoptiven Transfer hoch-avider CD8+ T-Zell-Klone, welche selektiv AML-assoziierte Antigene erkennen. Daher bestand das Ziel dieser Arbeit darin, eine neue Strategie zur Generierung hoch-avider CD8+ T-Zell-Klone, welche die Leukämie-assoziierten Antigene (LAAs) Wilms‘-Tumor-Antigen 1 (WT1), Proteinase 3 (PR3), Nucleophosmin 1 (NPM1) und Survivin als attraktive Ziele für spezifische Immuntherapien erkennen, zu entwickeln. Zunächst wurden mithilfe der innovativen Streptamer-Technologie die Frequenzen von CD8+ T-Zellen mit Reaktivität gegen WT1, PR3, NPM1 und Survivin im peripheren Blut von 10 gesunden HLA-A*02:01+ Spendern analysiert. Auf diese Weise konnten jedoch nur sehr geringe bis keine detektierbaren Frequenzen LAA-spezifischer CD8+ T-Lymphozyten nachgewiesen werden. Diese Beobachtungen führten zu dem Schluss, dass AML-Peptid-spezifische CD8+ T-Zellen im Gegensatz zu Virus-spezifischen T-Zellen aufgrund deutlich geringerer Frequenzen nicht direkt aus dem peripheren Blut isoliert werden können. Daher erfolgte die in vitro-Expansion der CD8+ T-Zellen mithilfe von autologen Monozyten-abgeleiteten dendritischen Zellen (MoDCs). DCs sind als professionelle Antigen-präsentierende Zellen in der Lage, Effektorzellen des adaptiven Immunsystems zu stimulieren sowie deren Expansion zu induzieren. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein geeignetes Protokoll für die Generierung von Fast-MoDCs etabliert. Diese zeichneten sich durch die ausgeprägte Expression kostimulatorischer und Antigen-präsentierender Moleküle, die Sekretion großer Mengen des proinflammatorischen Zytokins IL-12 sowie ein effizientes stimulatorisches Potenzial gegenüber CD4+ T-Zellen aus. Erneute Frequenzanalysen nach zweimaliger in vitro-Stimulation mit Peptid-beladenen Fast-MoDCs mittels ELISpot ergaben einen Anstieg der Frequenzen AML-Peptid-spezifischer CD8+ T-Zellen, insbesondere von WT1126-spezifischen CD8+ T-Zellen. Daraufhin erfolgte die Anreicherung der stimulierten CD8+ T-Zellen mit Spezifität für die vier untersuchten LAAs WT1, PR3, NPM1 und Survivin mittels Streptamer-Technologie. Dabei erzielte die Anreicherung WT1126-spezifischer CD8+ T-Lymphozyten deutlich höhere Reinheiten als die von CD8+ T-Zellen mit Reaktivität gegen die Peptide PR1169, NPM1283,mut A/D und Survivin95. Aus diesem Grund wurden die weiteren Untersuchungen auf WT1126 als das bisher vielversprechendste der untersuchten Peptide begrenzt. CD8+ T-Zellen von drei gesunden Spendern wurden mit bestrahlten T2-Zellen und Fast-MoDCs, welche mit dem HLA-A*02:01-restringierten Peptid WT1126 beladen waren, stimuliert. Anschließend erfolgte die Anreicherung WT1126-spezifischer CD8+ T-Zellen mittels Streptamer-Technologie. Bereits nach einmaliger Stimulation kam es zu einer deutlichen Anreicherung WT1126-spezifischer CD8+ T-Zellen, welche effektiv in der Lage waren, Peptid-beladene Zielzellen zu lysieren. Jedoch konnte nach zweimaliger Stimulation nochmals eine deutliche Steigerung in Reinheit und Ausbeute erzielt werden. Die angereicherten Zellen wurden als Effektor-Gedächtnis-T-Zellen charakterisiert. Ausgehend von den Streptamer-isolierten CD8+ T-Zellen eines Spenders erfolgte die Generierung WT1126-spezifischer CD8+ T-Zell-Klone. Im Rahmen der Klonierung wurden 32 WT1126-spezifische CD8+ T-Zell-Klone generiert. Drei vielversprechende Klone wurden genauer hinsichtlich ihrer funktionellen Eigenschaften charakterisiert. Diese exprimierten hoch-avide T-Zell-Rezeptoren und zeigten einen heterogenen Phänotyp von zentralen Gedächtnis-T-Zellen hin zu terminal differenzierten Effektor-Gedächtnis-T-Zellen. Zudem führten sie zu einer effizienten Lyse der HLA-A*02:01+ und WT1+ Zelllinien T2 und SET-2. Darüber hinaus wurde demonstriert, dass die untersuchten Klone auch HLA-A*02:01- und WT1-exprimierende primäre Blasten von AML-Patienten effektiv lysieren. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Streptamer-basierte Anreicherung stimulierter Tumorpeptid-spezifischer CD8+ T-Zellen vor anschließender Klonierung eine geeignete Strategie für die Generierung hoch-avider CD8+ T-Zell-Klone mit anti-tumoraler Aktivität darstellt. So generierte CD8+ T-Zell-Klone mit Reaktivität gegen AML-assoziierte Antigene können für die Entwicklung neuer immuntherapeutischer Strategien zur Therapie eines Rezidivs bei AML-Patienten nach allogener SZT verwendet werden.

Cells within multicellular organisms share the same genetic information, yet their shape and function can differ dramatically. This diversity of form and function is established by differential use of the genetic information. Early embryonic development describes the processes that lead to a fully differentiated embryo starting from a single fertilized cell - the zygote. Interestingly, in metazoan species this early development is governed by maternally provided factors (nutrients, RNA, protein), while the zygotic genome is transcriptionally inactive. Only at a specific developmental stage, the zygotic genome becomes transcriptionally active, and zygotic transcripts drive further embryonic development. This major change is called zygotic genome activation (ZGA). While major regulators of activation of early zygotic genes could be identified recently, the molecular mechanisms that contribute to robust global genome activation during embryonic development is not fully understood. In this study, I investigated whether the establishment of histone H3 lysine 4 trimethylation (H3K4me3) is involved in zebrafish zygotic transcription activation and early embryonic development. H3K4me3 is a chromatin modification that is implicated in transcription regulation. H3K4me3 has been shown to be enriched at Transcription Start Sites (TSS) of genes prior to their activation, and is postulated facilitate transcription activation of developmentally important genes. To interfere with H3K4me3 establishment, I generated histone methyltransferase mutants. I further inhibited H3K4me3 establishment by introduction of histones with lysine 4-to-methionine (K4-to-M) substitution, which act as dominant-negative inhibitors of H3K4me3 establishment. Upon H3K4me3 reduction, I studied the resulting effect on early transcription activation. I found that H3K4me3 is not involved in transcription activation during early zebrafish embryogenesis. Finally I analyzed possible cues in DNA sequence and chromatin environment that might favor early H3K4me3 establishment. These studies show that H3K4me3 is established during ZGA, yet it is not involved in transcription activation during early zebrafish development. Establishment of H3K4me3 might be a consequence of histone methyltransferase recruitment during a permissive chromatin state, and might be targeted to CpG-rich promoter elements that are enriched for the histone variant H2A.z.:Frontmatter II Acknowledgements VII Thesis Summary (English) IX Thesis Summary (German) X Table of Contents XIV List of Figures XVI List of Tables XVII List of Abbreviations XXIII 1 Introduction 1 1.1 Transcription regulation 2 1.1.1 Promoter elements - genetic information that guides transcription initiation 2 1.1.2 Enhancers - fine-tuning of transcription by distal DNA elements 3 1.1.3 CpG islands - DNA sequences that allow for epigenetic regulation 4 1.2 Chromatin 4 1.2.1 Histone variants 7 1.2.2 Posttranslational histone modifications 7 1.2.3 Histone Lysine methylation 8 1.2.4 H3K4me3 in embryonic development 10 1.3 Establishment and removal of H3K4me3 10 1.3.1 Set1 homologs - Set1a and Set1b 11 1.3.2 Trithorax homologs - Mll1 and Mll2 11 1.3.3 Homologs of Trithorax-related - Mll3 and Mll4 13 1.3.4 COMPASS complex proteins 13 1.3.5 H3K4me3 removal 14 1.4 Transcription activation in embryos 14 1.4.1 Zebrafish early embryonic development 15 1.4.2 H3K4me3 during early zebrafish development 17 1.5 Thesis aim 17 2 Materials and Methods 19 2.1 Materials 19 2.2 Methods 36 2.2.1 Zebrafish husbandry and care 36 2.2.2 Generation of zebrafish knock-out lines by TALEN mutagenesis 36 2.2.3 Generation of plasmids for mRNA production 38 2.2.4 Microinjection 39 2.2.5 Germline transplantation 39 2.2.6 Western Blot Assays 40 2.2.7 RNA extraction and quantification assays 41 2.2.8 Chromatin immunoprecipitation (ChIP) 43 2.3 Bioinformatics Analyses 46 2.3.1 Quality control, alignment and peak calling 46 2.3.2 Lambda normalization 46 2.3.3 Differential ChIP enrichment analysis 47 2.3.4 Data integration 47 2.3.5 Gene classification 48 3 Results I: H3K4me3 interference by Histone methyltransferase mutation 49 3.1 Generation and phenotypic description of histone methyl-transferase mutants 49 3.1.1 HMT TALEN mutagenesis workflow 49 3.1.2 Ash2l TALEN mutation does not result in a larval or adult phenotype 52 3.1.3 Mll2 mutation results in increased larval mortality, while adult fish are healthy and fertile 54 3.1.4 Mll1 mutation results in increased larval mortality and a severe adult phenotype 56 3.2 HMT mutations do not affect global H3K4me3 levels in early zebrafish embryos 60 3.3 Mll1 mutation results in local H3K4me3 reduction of a small subset of genes 62 3.4 Early embryonic transcription is not altered in mll1 maternal-zygotic mutants 67 3.5 Conclusion 70 4 Results II: H3K4me3 interference by introduction of HMT inhibitors 71 4.1 Establishing a Western Blot assay to monitor H3K4me3 reduction 71 4.2 Overexpression of H3K4-specific histone demethylases does not result in global H3K4me3 reduction 73 4.3 Global reduction of H3K4me3 could not be achieved by small-molecule inhibition of HMT activity 75 4.4 Overexpression of K4-specific methylation-defective H3 results in global H3K4me3 reduction 76 4.4.1 Overexpression of H3K4-to-E constructs does not affect global H3K4me3 establishment 76 4.4.2 H3K4-to-M constructs act as dominant-negative substrate for H3K4me3 establishment 77 4.5 H3K4me3 levels at gene promoters are reduced upon introduction of methylation-defective Histone H3 79 4.6 Early transcription activation is not altered upon K4M overexpression 88 4.7 Conclusion 92 5 Results III: Promoters rich in CpG and H2A.z gain H3K4me3 early 93 5.1 H3K4me3 levels increase over developmental time at all gene classes 93 5.2 H3K4me3 is gained at CpG-rich elements 98 5.3 H2A.z marks overlaps with H3K4me3 at promoters of non-transcribed genes 100 5.4 High CpG density and H2A.z enrichment are predictive for H3K4me3 establishment 101 5.5 Maternally provided genes are enriched for H2A.z and CpG content 103 5.6 Conclusion 104 6 Discussion 105 6.1 Neither Mll1 nor Mll2 are the main histone methyltransferase for H3K4me3 establishment in early zebrafish development 106 6.2 H3K4me3 reduction does not affect transcription initiation during genome activation 107 6.3 The timing of H3K4me3 establishment might be determined by a permissive chromatin state 109 6.4 H3K4me3 potentially gains importance during later developmental stages 111 6.5 CpG-content and H2A.z enrichment might be predictive for H3K4me3 establishment during genome activation 112 6.6 Conclusion 115 Appendix 117 Bibliography 139 Authorship Declaration 159 / Jede Zelle eines multizellulären Organismus enthält dieselbe Erbinformation, und doch können Form und Funktion von Zellen untereinander sehr unterschiedlich sein. Diese Diversität wird durch unterschiedliches Auslesen - Transkribieren - der Erbinformation erreicht. Embryogenese beschreibt den Prozess, der aus einer einzelnen Zelle - der Zygote - einen multizellulären Embryo entstehen lässt. Interessanterweise laufen frühe Stadien der Embryogenese ohne Transkription der embryonalen Erbinformation ab, sondern werden durch maternal bereitgestellte Faktoren ermöglicht. Erst nach einer spezies-spezifischen Entwicklungsphase wird das Erbgut der Zygote aktiv transkribiert und ermöglicht die weitere Embryonalentwicklung. Obwohl bereits wichtige Regulatoren dieser globalen Genomaktivierung identifiziert werden konnten, sind viele molekulare Mechanismen, die zur Aktivierung des zygotischen Genoms beitragen, bisher unbekannt. In der hier vorliegenden Doktorarbeit habe ich die Rolle von Histon H3 Lysin 4 Trimethylierung (H3K4me3) während der frühen Embryogenese des Zebrafischs untersucht. H3K4me3 ist eine Chromatinmodifikation, die mit aktiver Transkription in Verbindung gebracht wird. H3K4me3 ist an Transkriptions-Start-Stellen von aktiv ausgelesenen Genen angereichert und es wird vermutet, dass diese Modifikation das Binden von Transkriptionsfaktoren und der Transkriptionsmaschinerie erleichtert. Während meiner Arbeit habe ich durch Mutation verschiedener Histon-Methyltransferasen beziehungsweise die Überexpression eines dominant-negativen Histonsubstrats versucht, die Etablierung von H3K4me3 in frühen Entwicklungsstadien des Zebrafischs zu verhindern. Anschliessend habe untersucht, welchen Effekt H3K4me3-Reduktion auf Tranksriptionsaktivität entsprechender Gene hat. Allerdings konnte ich keinen Zusammenhang zwischen H3K4me3-Reduktion und Transkriptionsaktivität beobachten. Um herauszufinden, weshalb H3K4me3 dennoch während früher Embryonalstadien etabliert wird, habe ich nachfolgend untersucht, ob möglicherweise bestimmte DNASequenzen oder Chromatin-Modifikationen zur Etablierung von H3K4me3 wahrend der Embryogenese des Zebrafischs beitragen. Aus der hier vorliegenden Arbeit lässt sich schlussfolgern, dass H3K4me3 in Tranksriptionsaktivierung während früher Embryonalstadien des Zebrafischs nicht involviert ist. Möglicherweise wird H3K4me3 in diesen Stadien in einer permissiven Chromatinumgebung etabliert, bevorzugt an Promotoren mit starker H2A.z-Anreicherung und CpG-reichen DNA-Elementen.:Frontmatter II Acknowledgements VII Thesis Summary (English) IX Thesis Summary (German) X Table of Contents XIV List of Figures XVI List of Tables XVII List of Abbreviations XXIII 1 Introduction 1 1.1 Transcription regulation 2 1.1.1 Promoter elements - genetic information that guides transcription initiation 2 1.1.2 Enhancers - fine-tuning of transcription by distal DNA elements 3 1.1.3 CpG islands - DNA sequences that allow for epigenetic regulation 4 1.2 Chromatin 4 1.2.1 Histone variants 7 1.2.2 Posttranslational histone modifications 7 1.2.3 Histone Lysine methylation 8 1.2.4 H3K4me3 in embryonic development 10 1.3 Establishment and removal of H3K4me3 10 1.3.1 Set1 homologs - Set1a and Set1b 11 1.3.2 Trithorax homologs - Mll1 and Mll2 11 1.3.3 Homologs of Trithorax-related - Mll3 and Mll4 13 1.3.4 COMPASS complex proteins 13 1.3.5 H3K4me3 removal 14 1.4 Transcription activation in embryos 14 1.4.1 Zebrafish early embryonic development 15 1.4.2 H3K4me3 during early zebrafish development 17 1.5 Thesis aim 17 2 Materials and Methods 19 2.1 Materials 19 2.2 Methods 36 2.2.1 Zebrafish husbandry and care 36 2.2.2 Generation of zebrafish knock-out lines by TALEN mutagenesis 36 2.2.3 Generation of plasmids for mRNA production 38 2.2.4 Microinjection 39 2.2.5 Germline transplantation 39 2.2.6 Western Blot Assays 40 2.2.7 RNA extraction and quantification assays 41 2.2.8 Chromatin immunoprecipitation (ChIP) 43 2.3 Bioinformatics Analyses 46 2.3.1 Quality control, alignment and peak calling 46 2.3.2 Lambda normalization 46 2.3.3 Differential ChIP enrichment analysis 47 2.3.4 Data integration 47 2.3.5 Gene classification 48 3 Results I: H3K4me3 interference by Histone methyltransferase mutation 49 3.1 Generation and phenotypic description of histone methyl-transferase mutants 49 3.1.1 HMT TALEN mutagenesis workflow 49 3.1.2 Ash2l TALEN mutation does not result in a larval or adult phenotype 52 3.1.3 Mll2 mutation results in increased larval mortality, while adult fish are healthy and fertile 54 3.1.4 Mll1 mutation results in increased larval mortality and a severe adult phenotype 56 3.2 HMT mutations do not affect global H3K4me3 levels in early zebrafish embryos 60 3.3 Mll1 mutation results in local H3K4me3 reduction of a small subset of genes 62 3.4 Early embryonic transcription is not altered in mll1 maternal-zygotic mutants 67 3.5 Conclusion 70 4 Results II: H3K4me3 interference by introduction of HMT inhibitors 71 4.1 Establishing a Western Blot assay to monitor H3K4me3 reduction 71 4.2 Overexpression of H3K4-specific histone demethylases does not result in global H3K4me3 reduction 73 4.3 Global reduction of H3K4me3 could not be achieved by small-molecule inhibition of HMT activity 75 4.4 Overexpression of K4-specific methylation-defective H3 results in global H3K4me3 reduction 76 4.4.1 Overexpression of H3K4-to-E constructs does not affect global H3K4me3 establishment 76 4.4.2 H3K4-to-M constructs act as dominant-negative substrate for H3K4me3 establishment 77 4.5 H3K4me3 levels at gene promoters are reduced upon introduction of methylation-defective Histone H3 79 4.6 Early transcription activation is not altered upon K4M overexpression 88 4.7 Conclusion 92 5 Results III: Promoters rich in CpG and H2A.z gain H3K4me3 early 93 5.1 H3K4me3 levels increase over developmental time at all gene classes 93 5.2 H3K4me3 is gained at CpG-rich elements 98 5.3 H2A.z marks overlaps with H3K4me3 at promoters of non-transcribed genes 100 5.4 High CpG density and H2A.z enrichment are predictive for H3K4me3 establishment 101 5.5 Maternally provided genes are enriched for H2A.z and CpG content 103 5.6 Conclusion 104 6 Discussion 105 6.1 Neither Mll1 nor Mll2 are the main histone methyltransferase for H3K4me3 establishment in early zebrafish development 106 6.2 H3K4me3 reduction does not affect transcription initiation during genome activation 107 6.3 The timing of H3K4me3 establishment might be determined by a permissive chromatin state 109 6.4 H3K4me3 potentially gains importance during later developmental stages 111 6.5 CpG-content and H2A.z enrichment might be predictive for H3K4me3 establishment during genome activation 112 6.6 Conclusion 115 Appendix 117 Bibliography 139 Authorship Declaration 159

Mitochondria are essential for the viability of mammalian cells and provide a compartment for specific chemical reactions. Cellular respiration -- the main mitochondrial function -- is tightly connected with ROS production: the mitochondrial electron transport chain complexes I and III are the main ROS sources in mammalian cells. It has been reported that complex I and complex III activities are essential for cell cycle, apoptosis and stem cell differentiation (Spitkovsky et al., 2004; Varum et al., 2009; Lee et al., 2011; Ma et al., 2011; Tormos et al., 2012). In our work, we aimed to investigate the role of mitochondrial electron transport chain activity in the regulation of the differentiation potential and to unravel signaling pathways that could participate in this regulation. As a model, we used the P19 pluripotent stem cell line that can be easily differentiated into trophoblasts, expressing intermediate filaments cytokeratin 8/18, and neurons, which express cytoskeleton protein beta-III-tubulin. We first showed that both trophoblast and neural differentiation of P19 cells were accompanied by activation of cellular respiration. The analysis of respiratory chain complexes and supercomplexes, however, showed that undifferentiated P19 cells, as well as their differentiated derivatives did not differ in their respiratory machinery, including functional respirasomes. While undifferentiated cells did not use respiration as the main energy source, cellular respiration was activated during differentiation, indicating that oxidative metabolism was important for efficient differentiation. To investigate the potential role of mitochondrial electron transport chain activity we monitored the influence of a disrupted electron flow on the differentiation of P19 cells. We found that the activity of complex I and complex III influenced the differentiation potential of the pluripotent P19 cell line: the presence of complex I and complex III inhibitors rotenone, antimycin A, or myxothiazol increased the amount of cytokeratin 8/18+ cells during trophoblast differentiation, but almost completely prevented the formation of neuron-like beta-III-tubulin+ cells during neuron differentiation. Moreover, a low oxygen level (1 % O2 vs 21 % O2 in atmosphere) - the final electron acceptor - had the same effect on differentiation. These data suggest that mitochondrial electron transport chain activity contributes to the regulation of differentiation. The presence of complex I and complex III inhibitors, as well as oxygen scarcity, increase ROS production. We suggested that increased ROS level could explain the observed effects. By visualizing mitochondrial superoxide production with a specific dye – MitoSox - we confirmed that rotenone, antimycin A, myxothiazol, as well as low oxygen conditions, increased the superoxide level. These results suggest that the observed changes of the differentiation potential of P19 cells are associated with ROS production. To prove this idea, we differentiated P19 cells in presence of paraquat – a known ROS inducer. In line with our hypothesis paraquat promoted trophoblast differentiation. The received results suggest that the mitochondrial electron transport chain activity regulates differentiation through the ROS level. ROS are secondary messengers that participate in numerous processes including cell proliferation and differentiation. We aimed to predict the signal pathway that connects ROS level in stem cells and their differentiation potential. For this purpose, we performed a microarray analysis and compared the gene expression profiles of cells grown under hypoxia or in the presence of the complex III inhibitor myxothiazol with untreated control cells. The expression analysis revealed p53 as a transcriptional factor that impacts the differentiation potential in treated cells. p53 is a known redox-sensing molecule (Bigarella et al., 2014) that influences the differentiation potential through cell cycle control (Maimets et al., 2008). This observation is in line with our results and suggests that p53 may regulate the differentiation potential of P19 cells. We are planning to investigate the role of p53 signaling in the regulation of cell cycle and differentiation potential of P19 cell line.

This thesis presents the Adaptive Particle Representation (APR), a novel adaptive data representation that can be used for general data processing, storage, and simulations. The APR is motivated, and designed, as a replacement representation for pixel images to address computational and memory bottlenecks in processing pipelines for studying spatiotemporal processes in biology using Light-sheet Fluo- rescence Microscopy (LSFM) data. The APR is an adaptive function representation that represents a function in a spatially adaptive way using a set of Particle Cells V and function values stored at particle collocation points P∗. The Particle Cells partition space, and implicitly define a piecewise constant Implied Resolution Function R∗(y) and particle sampling locations. As an adaptive data representation, the APR can be used to provide both computational and memory benefits by aligning the number of Particle Cells and particles with the spatial scales of the function. The APR allows reconstruction of a function value at any location y using any positive weighted combination of particles within a distance of R∗(y). The Particle Cells V are selected such that the error between the reconstruction and the original function, when weighted by a function σ(y), is below a user-set relative error threshold E. We call this the Reconstruction Condition and σ(y) the Local Intensity Scale. σ(y) is motivated by local gain controls in the human visual system, and for LSFM data can be used to account for contrast variations across an image. The APR is formed by satisfying an additional condition on R∗(y); we call the Resolution Bound. The Resolution Bound relates the R∗(y) to a local maximum of the absolute value function derivatives within a distance R∗(y) or y. Given restric- tions on σ(y), satisfaction of the Resolution Bound also guarantees satisfaction of the Reconstruction Condition. In this thesis, we present algorithms and approaches that find the optimal Implied Resolution Function to general problems in the form of the Resolution Bound using Particle Cells using an algorithm we call the Pulling Scheme. Here, optimal means the largest R∗(y) at each location. The Pulling Scheme has worst-case linear complexity in the number of pixels when used to rep- resent images. The approach is general in that the same algorithm can be used for general (α,m)-Reconstruction Conditions, where α denotes the function derivative and m the minimum order of the reconstruction. Further, it can also be combined with anisotropic neighborhoods to provide adaptation in both space and time. The APR can be used with both noise-free and noisy data. For noisy data, the Reconstruction Condition can no longer be guaranteed, but numerical results show an optimal range of relative error E that provides a maximum increase in PSNR over the noisy input data. Further, if it is assumed the Implied Resolution Func- tion satisfies the Resolution Bound, then the APR converges to a biased estimate (constant factor of E), at the optimal statistical rate. The APR continues a long tradition of adaptive data representations and rep- resents a unique trade off between the level of adaptation of the representation and simplicity. Both regarding the APRs structure and its use for processing. Here, we numerically evaluate the adaptation and processing of the APR for use with LSFM data. This is done using both synthetic and LSFM exemplar data. It is concluded from these results that the APR has the correct properties to provide a replacement of pixel images and address bottlenecks in processing for LSFM data. Removal of the bottleneck would be achieved by adapting to spatial, temporal and intensity scale variations in the data. Further, we propose the simple structure of the general APR could provide benefit in areas such as the numerical solution of differential equations, adaptive regression methods, and surface representation for computer graphics.